1006年5月1日，宋景德三年。这一天的夜晚一点也不像是夜晚，因为天空上一颗星星发出了强烈的光线，以至于晚上人们可以在光下读书。当时的人们将这颗星星视为一颗“吉星”，认为它的出现将带来风调雨顺和社会繁荣。

 

这是记载在《宋会要辑稿》中的一景，上述“吉星”便是“超新星”。据了解，这也是世界上对于超新星爆发较早的记录之一。

 

超新星爆发是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。其爆炸电磁辐射十分强烈，经常能够照亮其所在的整个星系，并可持续几周甚至几个月才逐渐衰减、消失。

 

宋朝的人们也许从没有想过，正是这种“吉星”的出现，在日后帮助人类进一步揭开了宇宙的奥秘。

 

物理、天文竞赛

 

在所有超新星类型中，Ia型超新星是一类特殊的恒星爆炸结果。这种超新星是白矮星（超致密老年恒星）爆炸的结果，其在短短数周内发出的光辉足以与整个星系的光辉相抗衡。在整个可观测宇宙之中，平均每分钟大约爆发10颗Ia型超新星。但宇宙实在太过巨大，因此一个典型的星系平均每1000年才会出现一到两颗超新星爆发。

 

围绕着这些超新星的爆发，有科学家开始试图以此为切入点探索宇宙的奥秘。1988年，在美国劳伦斯•伯克利国家实验室和加利福尼亚大学伯克利分校索尔•佩尔穆特（Saul Perlmutter）的领导下，“超新星宇宙学项目”（Supernova Cosmology Project）启动。1994年，澳大利亚国立大学的布莱恩•施密特（Brian Schmidt）和他的研究伙伴们也启动了“高红移超新星研究组”（High-z Supernova Search Team）项目。这两个小组都以这种特殊的超新星——Ia型超新星为研究突破口。

 

两个小组的科学家对50多颗遥远的超新星进行研究。通过对超新星的距离和超新星红移的研究，他们获得了同样的发现——超新星爆发的亮度比预期的更低。他们认为这是宇宙加速膨胀的结果。1998年，两个研究组公布了他们的研究结果。

 

近一个世纪以来，人们已经知道是大约140亿年前的宇宙大爆炸导致了宇宙的膨胀。1990年哈勃太空望远镜升空，它的一个主要使命便是测量现在宇宙的膨胀速度。但是令人没有想到的是，宇宙的膨胀是以加速度在进行的。这个来自两个团队的一致结果震惊了整个宇宙研究领域。

 

这两个团队的带头人索尔•佩尔穆特、布莱恩•施密特，以及在工作中起到重要作用的、“高红移超新星研究组”中来自美国约翰斯•霍普金斯大学和美国空间望远镜研究所的亚当•G•里斯，也因此发现摘得了2011年诺贝尔物理学奖的桂冠。

 

虽然最终两个团队一起获奖，但是在研究工作中两个团队的竞争一直存在。在中国科学院紫金山天文台南极天文研究中心主任王力帆看来，这两个团队在竞争中分别代表了不同的学科。“整个研究有两个小组在进行，‘超新星宇宙学项目’是美国劳伦斯•伯克利国家实验室的，其研究团队由一群例子物理学家组成；‘高红移超新星研究组’更像是一个自发研究小组，这个小组是由传统天文学家组成的。”两者的相互竞争关系主要体现在使用望远镜的时间和经费上面。

 

据诺贝尔官方网站介绍，研究中两个团队都必须彻查整个天空来寻找遥远的超新星，然后拍摄不同时间同一区域的照片进行比较。这就不仅仅是在科学技术上对研究团队提出要求，还需要研究者们统筹时间和设备的使用。在超新星的观测和研究中，研究者们必须能够在不同的望远镜之间切换，准确地获得一台望远镜的观测时间。超新星爆发的最佳观测时间仅仅只有几周，之后便会变暗，而申请观测时间的过程通常需要花上几个月。因此在望远镜等设备的使用上两个团队有时候难免“撞车”。

 

随着人们发现了宇宙在加速膨胀，一个新的问题便呈现在科学家们面前。是什么驱使了宇宙膨胀的加速？由此科学家们提出了暗能量的概念。他们认为这种加速度是由于暗能量的驱动。据了解，目前已知暗能量大约占据宇宙成分的3/4，但它的本质仍然是一个待解的迷，而这个问题似乎需要天文学家和物理学家共同完成。

 

学科的结姻

 

“事实上，此次获得诺奖的是与物理学联系紧密的天文学。在超新星的研究上，天文学家小组所做的工作与物理基础理论有着密切的联系。” 王力帆这样评价2011年诺贝尔物理学奖。在他看来，1990年哈勃望远镜升空发现宇宙膨胀这一成果之所以没能获得诺贝尔奖，其原因是当时认为这是天文学范畴的。但是他同时告诉《科学新闻》，从上个世纪90年代起，便有很多物理学家开始涉足于天文学领域，两个学科开始融合。

 

“这导致现在天文学领域论文也出现多个作者署名的现象。这在以前是很少见的。当然，这也是设备和技术的不断发展所带动的。”王力帆说，“两个学科的融合创造了下一代天文学，出现了粒子物理和天文学在前沿及工作方式上的融合，并且培养了新的学生，提出了新的科学问题和项目。”

 

1979年，陶嘉琳从哈佛大学毕业时，其博士论文是有关粒子物理实验。毕业后她进入欧洲核子研究组织工作，参与了大加速器的项目。后来在一次滑雪中，陶嘉琳恰与一位天文学家同行，当对方告诉她太阳中微子的相关信息时，她萌生了研究太阳中微子的想法。随后陶嘉琳又转战位于意大利的Gran Sasso 实验室，从事太阳中微子及暗物质研究工作。现在身为法国科学院马赛粒子物理中心研究主任的陶嘉琳，还担任了清华大学天体物理中心主任一职。

 

陶嘉琳告诉《科学新闻》，自己可以称得上是第一代从粒子物理涉足天文学领域的研究者。在她看来，自己这一代是经历了两个学科的融合的，所以很多时候她仍然认为自己是一个粒子物理学家。陶嘉琳并不认为这是一条新路，因为在她看来自己所做的依旧是探索宇宙的奥秘。

 

王力帆向《科学新闻》介绍说，物理学和天文学在研究方法和形式上都有所不同，粒子物理通常是以一个小组的方式在工作，而天文学的研究者通常是单枪匹马作战。而之所以出现物理学家开始迈向天文学研究领域，一方面是由于各种设备技术的发展，另一方面是粒子物理的科学目标不如上个世纪那么明确，国外很多粒子物理学家拿不到项目。而天文学正好相反，随着技术的进步，其目标越来越明确，且项目经费充足。

 

陶嘉琳不赞成这一说法。她认为，粒子物理学家对天文领域有兴趣是因为天文能解决暗物理和暗能量这些粒子物理领域的难题。

 

但事实上，物理学家涉足到天文领域之后，在一段时间内也会遇到困难。陶嘉琳回忆自己在法国时候，实验室的老板曾告诉她“嘉琳，你的想法很好，我们也很支持，但是经费自己筹集。”

 

2011年年初，陶嘉琳和研究伙伴想到了一个很新的项目计划，并提出申请国家自然科学基金。但是由于题目的缘故最终以失败告终。她的研究伙伴很不理解这个国际上前沿的题目为何没有受到重视。但是陶嘉琳却很看得开，她告诉《科学新闻》，目前无论在中国还是其他国家，两个学科的交融并没有取得完全的成功，无论是在理论还是经费上。

 

“申请经费的时候，天文领域的会认为你是物理方面的，而物理领域的又认为你是天文方面的。很多时候，由于是新的学科概念，别人无法理解你的东西。不仅是在中国，现在全世界都是这样的。” 她对《科学新闻》说。在她的经验里，只有当一个东西做出一些成绩以后，经费才会自然而然到来。

 

在陶嘉琳看来，中国在暗物质、暗能量领域的研究工作近些年来才逐步发展起来。首先，由于众多国外留学归来的科研工作者参与到研究中来，故我国在理论研究上不输于国外。其次，在实际的实验中，由于经费充足，所以大部分科学家都有项目。但总体来说目前取得的成绩还是很少，其根本问题在于每个项目的研究都严重缺乏人才。王力帆也表示，目前中国天文研究领域人才紧缺，每个项目需要很多研究者加入到研究队伍中来，如南极项目和太空项目。而这主要是由于国内在这一领域的人才培养十分欠缺，没有足够的师资力量。■

 

《科学新闻》 (科学新闻2011年第12期 学界)